一種脈寬可調的高壓方波發生器及高壓方波發生方法

【技術領域】

[0001]本發明涉及一種高壓方波發生器及發生方法，尤其涉及一種適用像增強器陰極門控信號的產生方法和緊湊型電路。

【背景技術】

[0002]像增強器具有很高的增益，可以將微弱的光信號增強至適合人眼觀察或圖像傳感器記錄的亮度。像增強器主要由光陰極、MCPWicrochannelPlate，微通道板)和熒光屏組成。像增強器通過施加陰極門控信號，提升了分辨率與靈敏度，使其應用范圍拓展至國防安全、工業、科研、醫療等領域。陰極門控像增強器僅在陰極門控脈沖為低時處于工作狀態，門控脈沖為高時處于待機狀態。這樣一方面可以在高亮度環境下自適應成像、降低器件功耗；另一方面可以通過極窄的門控脈沖來捕獲瞬態圖像，以實現科研實驗中所需要的高速攝影或選通成像。門控脈沖施加在像增強器的光陰極，對光陰極進行門控可以獲得較高的效率，其陰極門控脈沖信號的寬度決定成像系統的時間分辨，光陰極正常工作時需要施加約200V的負電壓，待機時需要施加50V正電壓因此相應的門控脈沖為幅度在+50V至-200V左右的高壓高速脈沖，且高壓脈沖應具有快前沿與快后沿，門控高壓脈沖發生器輸出脈沖的寬度隨輸入脈沖寬度可調。

[0003]現有門控脈沖產生常用的主要有雪崩三極管(吳侃，邵沖，李新碗.用雪崩三極管電路生成高壓負脈沖技術研究.電子技術，2009，46)、雪崩二極管結合三極管(蔡厚智，劉進元，超快脈沖電路的研制及應用.深圳大學學報理工版2010.01)和MOSFET (杜繼業，宋巖，羅通頂，郭明安.像增強器高速選通脈沖發生器.現代應用物理2013.09;劉春平，李爽，李景鎮，一種用于高速攝影儀的快門脈沖發生器.深圳大學學報理工版2013.02)等三種方式。雪崩管實現方式可產生較快的前后沿以及較小的脈寬，但存在脈寬靠電容或電纜長度調節的缺點，不能受觸發脈沖調節；現有MOSFET實現方式可產生高重頻脈沖、脈沖寬度受控調節的優點，但產生的脈沖寬度調節受限、采用單級或多級單路驅動以致前后沿較慢、最小脈沖寬度較大、需要外接高壓電源、體積較大以及重復頻率較低等缺點。

【發明內容】

[0004]為了解決現有高壓方波發生器不受觸發脈沖調節或脈沖寬度調節受限的技術問題，本發明公布了一種基于脈寬可調的脈寬可調的高壓方波發生器及高壓方波發生方法。

[0005]本發明的技術解決方案為:

[0006]—種脈寬可調的高壓方波發生器，包括觸發輸入單元、電源輸入單元、高壓脈沖成形單元及驅動單元，其特殊之處在于:

[0007]所述高壓脈沖成形單元包括MOSFET推挽電路，所述MOSFET推挽電路包括高壓端電路和低壓端電路，所述高壓端電路的入口處設置有用于與驅動信號耦合和高壓隔離的高壓端耦合電容，所述低壓端電路的入口設置有用于與驅動信號耦合和高壓隔離的低壓端耦合電容，

[0008]所述驅動單元利用觸發輸入單元的輸出信號產生加速高壓端電路中MOSFET管截止的中壓驅動信號Q4、維持高壓端電路中的MOSFET管截止的中壓驅動信號Q2、高壓端電路中的MOSFET管的中壓驅動信號Q6 ;加速低壓端電路中的MOSFET管導通的中壓驅動信號Q3、維持低壓端電路中的MOSFET管導通的中壓驅動信號Q1及低壓端電路中的MOSFET管的中壓驅動信號Q5，

[0009]Q4連接在高壓端電容的一端，Q2和Q6連接在高壓端電容的另一端，

[0010]Q3連接在低壓端電容的另一端，Q1和Q5連接子在低壓端電容的另一端。

[0011]以上為本發明的基本方案，基于該基本方案，本發明還做出以下優化限定:

[0012]為了獲得更加快的前后沿，高壓脈沖成形單元的驅動單元包括初級驅動信號產生單元和次級驅動信號產生單元；

[0013]所述初級驅動信號產生單元包括8通道緩沖電路、單穩態電路及緩沖電路，所述8通道緩沖電路將觸發信號分成8路并輸出8路TTL信號，所述單穩態電路用于脈沖寬度展寬與延遲，所述緩沖電路用于增加輸出電流；

[0014]8路TTL信號中的兩路信號S1、S2由觸發信號直接倒相，8路TTL信號中的另外3路信號的信號前沿利用單穩態電路形成前沿脈沖S3、后沿脈沖S4及S7，S3的前沿與S4及S7的后沿對齊，S4及S7的前沿與觸發信號的前沿對齊；8路TTL信號中的其余3路信號的后沿利用單穩態電路形成前沿脈沖S5、S8及后沿脈沖S6，S5及S8的前沿與觸發脈沖的后延對齊，S6的前沿與S5及S8的后沿對齊；

[0015]所述次級驅動信號產生單元包括2路推挽電路和4路單管MOSFET開關電路；S1、S2、S7、S8直接輸出至4路單管MOSFET開關電路分別產生維持低壓端電路中MOSFET管導通的中壓驅動信號Q1、維持高壓端電路中MOSFET管截止的中壓驅動信號Q2、低壓端電路中MOSFET管的中壓驅動信號Q5、高壓端電路中MOSFET管的中壓驅動信號Q6 ;S3、S4輸出至一個推挽電路產生加速低壓端電路中MOSFET管導通的中壓驅動信號Q3，S5、S6輸出至一個推挽電路產生加速高壓端電路中MOSFET管截止的中壓驅動信號Q4。

[0016]進一步的，為了實現電源的緊湊型和小型化，本發明的電源輸入單元包括12V直流電源和DC/DC電路，所述DC/DC電路用于將12V直流電源變換成5V、50V、-200V直流電源；所述5V直流電源送入初級驅動產生電路，50V直流電源和-200V直流電源用于次級驅動產生單元產生電路和高壓脈沖成形單元的供電。

[0017]再進一步的，本發明的DC/DC電路包括二次電源調整電路、偏壓產生電路和高壓產生電路，分別用于將12V直流電源變換成5V、50V、-200V直流電源。

[0018]再進一步的，為了實現器件的小型化，本發明的高壓方波發生器設置在采用層疊式結構三塊電路板上，其中一塊電路板采用四層設計，頂層放置電源輸入單元和另外兩塊分別放置DC-DC電路的電路板，中間為電源分割層和地，底層為初級驅動產生單元、次級驅動產生單元和高壓脈沖成形單元。

[0019]再進一步的，8通道緩沖電路為非門電路。

[0020]再進一步的，觸發輸入單元包括外部觸發接口和匹配電路；所述外部觸發接口用于連接計算機或信號源；所述匹配電路用于輸入觸發信號的匹配。

[0021]—種脈寬可調的緊湊型高壓方波發生方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:

[0022]1)觸發輸入:

[0023]輸入具有一定脈沖寬度的外部觸發信號；

[0024]2)產生初級驅動信號S1-S8:

[0025]利用D觸發器，將外部觸發信號轉換為8路TTL脈沖信號作為初級驅動信號，

[0026]8路TTL脈沖信號中的兩路信號S1、S2由觸發信號直接倒向，8路TTL信號中的另外3路信號利用觸發信號前沿形成前沿脈沖S3、后沿脈沖S4、S7，S3的前沿與S4及S7的后沿對齊，S4及S7的前沿與觸發信號的前沿對齊；8路TTL信號中的其余3路信號利用觸發信號后沿形成前沿脈沖S5、S8及后沿脈沖S6，S5及S8的前沿與觸發脈沖的后延對齊，S6的前沿與S5及S8的后沿對齊；

[0027]3)產生次級驅動信號Q1-Q6:

[0028]第一路信號S1經過P通道MOSFET管開關電路產生中壓驅動信號Q1，用于維持低壓端電路中的MOSFET管的導通，Q1與S1時序關系相同，只是通過P通道MOSFET管開關電路加大了驅動功率，電壓和電流增強；

[0029]第二路信號S2經過N通道MOSFET管開關電路產生中壓驅動信號Q2，用于維持高壓端電路中的MOSFET管的截止，Q2與S2時序關系相同，只是通過N通道MOSFET管開關電路加大了驅動功率，電壓和電流增強；

[0030]第三路信號S3和第四路信號S4經過MOSFET對管構成的推挽電路產生中壓驅動信號Q3，用于加速低壓端電路中的MOSFET管的導通，Q3是S3與S4驅動經過MOSFET對管構成的推挽電路產生的信號，增加了功率和加速上升下降沿，Q3的寬度等于S4開，S3關；

[0031]第五路信號S5和第六路信號S6經過MOSFET對管構成的推挽電路產生中壓驅動信號Q4，用于高壓端電路中MOSFET管的截止，Q4是S5與S6驅動經過MOSFET對管構成的推挽電路產生的信號，同樣是增加了功率和加速上升下降沿，Q4的寬度等于S5開，S6關；

[0032]第七路信號S7經過P通道MOSFET管開關電路產生高壓驅動信號Q5 ；Q5與S7時序關系相同，只是通過P通道MOSFET管開關電路加大了驅動功率，電壓和電流增強；

[0033]第八路信號S8經過N通道MOSFET管開關電路產生中壓驅動信號Q6 ;Q6與S8時序關系相同，只是通過N通道MOSFET管開關電路加大了驅動功率，電壓和電流增強；

[0034]4)高速高壓脈沖成形:

[0035]次級驅動信號Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6驅動高壓脈沖成形單元輸出高速高壓門控信號，具體步驟如下:

[0036]4.1)由高速高壓增強型MOSFET對管構成高速高壓推挽電路；

[0037]4.2)中壓驅動信號Q4接于高速高壓推挽電路高壓端耦合電容的一端，中壓驅動信號Q2和Q6接于高速高壓推挽電路高壓端耦合電容的另一端；中壓驅動信號Q3接于高速高壓推挽電路低壓端耦合電容的

總結

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